轉(zhuǎn)軸裂紋的故障機(jī)理與診斷

轉(zhuǎn)軸裂紋的故障機(jī)理與診斷§§§石油化工行業(yè)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械一般轉(zhuǎn)速都非常高，載荷也較大，長期運(yùn)轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)軸上易出現(xiàn)橫向疲動(dòng)裂紋，導(dǎo)致斷軸的嚴(yán)重事故。相對而言，轉(zhuǎn)軸裂紋的故障概率比其他故障少得多，但因能產(chǎn)生軸裂紋的潛在原因很多，如各種因素造成的應(yīng)力集中、復(fù)雜的受力狀態(tài)、惡劣的工作條件和環(huán)境等，加之裂紋對振動(dòng)響應(yīng)不夠敏感(深度達(dá)1/4直徑的裂紋，軸剛度變化僅為10％左右，臨界轉(zhuǎn)速的變化也只有5%左右)，有可能發(fā)展為斷軸事故，危害極大。因此，對軸裂紋診斷知識(shí)的學(xué)習(xí)很有必要。一、故障機(jī)理轉(zhuǎn)軸裂紋對振動(dòng)的響應(yīng)與裂紋所處的軸向位置、裂紋深度及受力情況有關(guān)。視裂紋所處部位應(yīng)力狀態(tài)的不同，裂紋會(huì)呈現(xiàn)出三種不同的形態(tài)。(1)閉裂紋轉(zhuǎn)軸在壓應(yīng)力情況下旋轉(zhuǎn)時(shí)，裂紋始終處于閉合狀態(tài)。例如，轉(zhuǎn)子重量不大、不平衡離心力較小或不平衡力正好處于裂紋的對側(cè)時(shí)就是這種情況。閉裂紋對轉(zhuǎn)軸振動(dòng)影響不大，難以察覺。(2)開裂紋當(dāng)裂紋區(qū)處于拉應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，軸裂紋始終處于張開狀態(tài)。開裂紋會(huì)造成軸剛度不對稱，使振動(dòng)帶有非線性性質(zhì)，伴有2x、3x、…等高頻成分，隨著裂紋的擴(kuò)展，lx、2x、等頻率的幅值也隨之增大。(3)開閉裂紋當(dāng)裂紋區(qū)的應(yīng)力是由自重或其他徑向載荷產(chǎn)生時(shí)，軸每旋轉(zhuǎn)一周，裂紋就會(huì)開閉一次，對振動(dòng)的影響比較復(fù)雜。理論分析表明，帶有裂紋的轉(zhuǎn)子的振動(dòng)響應(yīng)可分別按偏心及重力兩種影響因素考慮，再作線性疊加。由于偏心因素的影響，振動(dòng)峰值會(huì)出現(xiàn)在與兩個(gè)不對稱剛度相應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速之間；而重力因素的影響結(jié)果，是在轉(zhuǎn)速約為無裂紋轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速處時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大峰值。裂紋的張開或閉合與裂紋的初始狀態(tài)、偏心、重力的大小及渦動(dòng)的速度有關(guān)，同時(shí)也與裂紋的深度有關(guān)。若轉(zhuǎn)子是同步渦動(dòng)，裂紋會(huì)只保持一種狀態(tài)，即張開或閉合，這與其初始態(tài)有關(guān)。在非同步渦動(dòng)時(shí)，裂紋在一定條件下也可能會(huì)一直保持張開或閉合狀態(tài)，但通常情況下，轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，裂紋都會(huì)有開有閉。在這種情況下，裂紋越深，其在一周內(nèi)張開的時(shí)間會(huì)越長，會(huì)超過一半周期長度，同時(shí)裂紋張開的時(shí)間也會(huì)越晚。這可以作為判斷裂紋深度的一個(gè)定性標(biāo)準(zhǔn)。二、故障特征由上述分析知，轉(zhuǎn)軸裂紋的出現(xiàn)及其對轉(zhuǎn)子振動(dòng)的影響比較復(fù)雜，其主要特征是圖1軸上有開裂紋時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)轉(zhuǎn)軸上一旦存在開裂紋，轉(zhuǎn)軸的剛度就不再具有各向同性，振動(dòng)帶有非線性性質(zhì)，出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)頻率的2x、3x、…等高倍頻分量。裂紋擴(kuò)展時(shí)，剛度進(jìn)一步降低，lx、2x、…等頻率的幅值也隨之增大。以上特征與不平衡故障有相似之處，但相位角會(huì)發(fā)生不規(guī)則波動(dòng)，這一點(diǎn)與不平衡故障時(shí)相角穩(wěn)定有差別。開、停機(jī)過程中，會(huì)出現(xiàn)分頻共振，即轉(zhuǎn)子在經(jīng)過1/2、1/3、…臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，由于相應(yīng)的高倍頻(2x、3x)正好與臨界轉(zhuǎn)速重合，振動(dòng)響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)峰值，如圖1所示。軸上出現(xiàn)裂紋時(shí)，初期擴(kuò)展速度很慢，徑向振動(dòng)值的增長也很慢，但裂紋的擴(kuò)展速度會(huì)隨著裂紋深度的增大而加劇，相應(yīng)地也會(huì)出現(xiàn)lx及2x振幅迅速增加的現(xiàn)象，同時(shí)lx及2x的相位角也會(huì)出現(xiàn)異常的波動(dòng)。三、診斷方法轉(zhuǎn)軸橫向裂紋的主要診斷依據(jù)見表1和表2。表1轉(zhuǎn)軸橫向裂紋的振動(dòng)特征

SIMffW* 注骨is睦膽i2x3s=?ftikiftiK卉口僵兇畀輕1沖:JQ略畀轉(zhuǎn)連吋去鈕閩孫報(bào)其折!>■?4覧前型定性斥ttJU5抿和*冋駁種i鈾向心4U住禱握辜崑期粧址7鞘心找邂很島陽遷不啟畀s遊內(nèi)方詞jEif*樂it區(qū)地咸孌i ^表2轉(zhuǎn)軸橫向裂紋的振動(dòng)敏感參數(shù)序客K?4Hftvw<ns(t情址備 準(zhǔn)1毆?jiǎng)酉蹀D(zhuǎn)世畳化車聊肌轉(zhuǎn)速不帀亟偲隕啟.審機(jī)過斗明廿2煦冷R＞廿迦貞ft禪3矗呻RS介貞?腥堡化小4魯動(dòng)稠限力鹿比i年亞5覲血甬羸■嗨比I79IK*1■型硝91須吹1不現(xiàn)*f變化其惶諸?"崔①非戲ft矗動(dòng).過甲苗界蠱時(shí)2x店渡百JMk峰比爼恆定議iSF.il酚諧族輔譏不竝運(yùn)，梢竝黑化■尤氐2X寶出③轉(zhuǎn)干恤為大時(shí)”琦T帶陽車.芬衣試幣也詁不曲星寒帝JT四、故障原因及對策轉(zhuǎn)軸橫向裂紋的故障原因及治理措施見表3。表3轉(zhuǎn)軸橫向裂紋的故障原因及治理措施X號秋鼻蹴網(wǎng)付晏故障皿咀治莊fit施1fiitftW畀駛91鷹母足右應(yīng)力拱FttH盤應(yīng)力握硏宦暫越惜‘開乩算⑩一熙車痙覘維捋誥行，特總博況卩叩充議惡內(nèi)鱉護(hù)正行②立即見徴肝Ml沖小泰轉(zhuǎn)幡.用屋逗悟賈后便川吒對丈St低輪就電肚俎幡薩可山"左盤曲血忖址:制歇怕M①制凱茶曲.打瞬血険昭型燥U■理齊蒂汗里覃沖煨程毀墳旳的訣陪念檢岀3醫(yī)鈿tR@橙■時(shí)駁撓序戚未楡蠱序鏡梢②對誥纜棹迢點(diǎn)4fl怖4據(jù)布盅科連額累林對.升速.snft^tiffi^Ba*③拴料集曲丸，殆覽it脅拓齒5收逝考化五、診斷實(shí)例例1：某大型高速泵在運(yùn)行過程中軸振動(dòng)逐漸增大，同時(shí)出現(xiàn)2倍頻及3倍頻等高倍頻諧波分量，且相位變化。分析診斷：根據(jù)該泵的振動(dòng)特征，查閱其結(jié)構(gòu)圖紙，初步懷疑異常振動(dòng)的原因可能是由于轉(zhuǎn)軸裂紋造成的。為了進(jìn)一步確認(rèn)異常振動(dòng)的原因，在操作人員配合下對該泵進(jìn)行了降速和升速試驗(yàn)，觀察轉(zhuǎn)子通過半臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的頻譜特征和相位變化。其主要特征如下。

(1)頻譜圖中振幅在2x、3x諧波處有共振峰值，如圖2所示，為該測點(diǎn)當(dāng)前信號譜圖結(jié)構(gòu)與6個(gè)月前的對照。圖2當(dāng)前信號譜結(jié)構(gòu)與歷史信號譜比較(2)轉(zhuǎn)速通過1/2臨界轉(zhuǎn)速時(shí)有共振峰值出現(xiàn)，如圖3所示。圖3升速過程振動(dòng)趨勢圖診斷意見：根據(jù)上述特征，特別是轉(zhuǎn)子在降速和升速通過半臨界轉(zhuǎn)速時(shí)的